Aλδεΰδες και κετόνες: αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσθήκης

Transcript

1 ÎÂÙfiÓË Î È Ë ÊÔÚÌ Ï- Â Ë appleôùâïô Ó Ù appleèî Î Ú ÔÓ ÏÈÎ ÂÓÒÛÂÈ. 19 Aλδεΰδες και κετόνες: αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσθήκης Οι αλδεΰδες και οι κετόνες συγκαταλέγονται στις περισσότερο διαδεδομένες οργανικές ενώσεις, τόσο στη φύση όσο και στη χημική βιομηχανία. Στη φύση, πολλές ενώσεις απόλυτα αναγκαίες στους ζωντανούς οργανισμούς είναι αλδεΰδες και κετόνες. Στη χημική βιομηχανία, απλές αλδεΰδες και κετόνες παράγονται σε μεγάλες ποσότητες και χρησιμοποιούνται είτε ως διαλύτες είτε ως πρώτες ύλες για την παρασκευή πληθώρας άλλων ενώσεων. Για παράδειγμα, στις ΗΠΑ παράγονται ετησίως περίπου 1,4 εκατομμύρια τόννοι φορμαλδεΰδης, 2 =, που χρησιμοποιούνται στα μονωτικά οικοδομικά υλικά και στις συγκολλητικές ρητίνες. Η ακετόνη, ( 3 ) 2 =, χρησιμοποιείται ευρύτατα ως βιομηχανικός διαλύτης. Στις ΗΠΑ παράγονται περίπου 1,2 εκατομμύρια τόννοι ακετόνης ετησίως.

2 876 PΓANIK XMEIA Η φορμαλδεΰδη παρασκευάζεται βιομηχανικά με καταλυτική οξείδωση της μεθανόλης, ενώ μια μέθοδος παρασκευής της ακετόνης είναι η οξείδωση της 2-προπανόλης. K Ù Ï ÙË 2 ªÂı ÓfiÏË MÂı ÓfiÏË ºÔÚÌ Ï Â Ë ÙÂÚÂÔÛÎÔappleÈÎ appleô Ë 3 3 Zn ÚÔapple ÓfiÏË AÎÂÙfiÓË ÎÂÙfiÓË ÙÂÚÂÔÛÎÔappleÈÎ appleô Ë 19.1 Iδιότητες αλδεϋδών και κετονών Όπως είδαμε στην επισκόπηση της χημείας της καρβονυλικής ομάδας που προηγήθηκε, το καρβονύλιο είναι επίπεδο, με γωνίες δεσμών περίπου 120 ο, ενώ ο διπλός δεσμός = είναι πολικός. ' 120 ' 120 Μια συνέπεια της πολικότητας του καρβονυλίου είναι ότι οι αλδεΰδες και οι κετόνες χαρακτηρίζονται από ισχυρότερες διαμοριακές δυνάμεις και υψη-

3 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 877 λότερα σημεία ζέσεως σε σχέση με τα αλκάνια παρόμοιου μοριακού βάρους. Επειδή όμως δε σχηματίζουν δεσμούς υδρογόνου, οι αλδεΰδες και οι κετόνες εμφανίζουν χαμηλότερα σημεία ζέσεως από τις αντίστοιχες αλκοόλες. Η φορμαλδεΰδη, η απλούστερη αλδεΰδη, είναι σε θερμοκρασία δωματίου αέριο, άλλες όμως απλές αλδεΰδες και κετόνες είναι υγρά (Πίνακας 19.1). Ó Î 19.1 º ÛÈÎ È ÈfiÙËÙ ÔÚÈÛÌ ÓˆÓ Ï Â ÒÓ Î È ÎÂÙÔÓÒÓ ÓÔÌ Û ÔÌ ËÌÂ Ô Ù Íˆ ( Ô ) ËÌÂ Ô Ûˆ ( Ô ) ºÔÚÌ Ï Â Ë ÎÂÙ Ï Â Ë μâó Ï Â Ë ÎÂÙfiÓË μÔ Ù ÓfiÓË ÎÏÔÂÍ ÓfiÓË νοματολογία αλδεϋδών και κετονών Aλδεΰδες Οι αλδεΰδες ονοματίζονται αντικαθιστώντας την κατάληξη -ιο των αντίστοιχων αλκανίων με την κατάληξη -άλη. Η μητρική κύρια αλυσίδα πρέπει να περιλαμβάνει την ομάδα, ο άνθρακας της οποίας αριθμείται ως άνθρακας 1. Παραδείγματα: 3 S S P S P Èı Ó ÏË ÚÔapple Ó ÏË 2- Èı ÏÔ-4-ÌÂı ÏÔappleÂÓÙ Ó ÏË ( ÎÂÙ Ï Â Ë) ( ÚÔappleÈÔÓÈÎ Ï Â Ë) Σημειώστε ότι η μακρύτερη αλυσίδα της 2-αιθυλο-4-μεθυλοπεντανάλης έχει έξι άτομα, αλλά η αλυσίδα αυτή δεν περιέχει την ομάδα και συνεπώς δε θεωρείται ως μητρική. Σε πιο περίπλοκες αλδεΰδες, στις οποίες η ομάδα συνδέεται με δακτύλιο, χρησιμοποιείται η κατάληξη -καρβαλδεΰδη:

4 878 PΓANIK XMEIA 1 2 ÎÏÔÂÍ ÓÔÎ Ú Ï Â Ë 2- Êı ÏÂÓÔÎ Ú Ï Â Ë Ορισμένες απλές και πολύ γνωστές αλδεΰδες έχουν εμπειρικές ονομασίες που αναγνωρίζονται από την IUPA. Μερικές από τις σημαντικότερες παρατίθενται στον Πίνακα Ó Î 19.2 EÌappleÂÈÚÈÎ ÔÓÔÌ Û Â ÔÚÈÛÌ ÓˆÓ appleïòó Ï Â ÒÓ T appleô EÌappleÂÈÚÈÎ ÔÓÔÌ Û ÛÙËÌ ÙÈÎ ÔÓÔÌ Û ºÔÚÌ Ï Â Ë MÂı Ó ÏË 3 ÎÂÙ Ï Â Ë AÈı Ó ÏË 3 2 ÚÔappleÈÔÓÈÎ Ï Â Ë ÚÔapple Ó ÏË BÔ Ù Ú Ï Â Ë BÔ Ù Ó ÏË B ÏÂÚ Ï Â Ë ÂÓÙ Ó ÏË 2 AÎÚÔÏÂ ÓË 2- ÚÔappleÂÓ ÏË μâó Ï Â Ë BÂÓ ÔÏÔÎ Ú Ï Â Ë Kετόνες Οι κετόνες ονοματίζονται αντικαθιστώντας την κατάληξη -ιο των αντίστοιχων αλκανίων με την κατάληξη -όνη. Ως μητρική αλυσίδα θεωρείται η μακρύτερη που περιέχει την κετονική ομάδα, ενώ η αρίθμηση αρχίζει από το άκρο που βρίσκεται πλησιέστερα προς τον καρβονυλικό άνθρακα. Παραδείγματα: S S ÚÔapple ÓfiÓË 3- Í ÓfiÓË (AÎÂÙfiÓË) S S S ÍÂÓ-2-fiÓË 2,4- Í ÓÔ ÈfiÓË

5 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 879 Μερικές κετόνες διατηρούν τις εμπειρικές τους ονομασίες που αναγνωρίζονται από την IUPA: 3 3 ÎÂÙfiÓË Acetone 3 ÎÂÙÔÊ ÈÓfiÓË Acetophenone μâó ÔÊ ÈÓfiÓË Benzophenone Όταν είναι αναγκαίο να αναφερθούμε στην ομάδα ως υποκαταστάτη, χρησιμοποιείται ο όρος ακυλο και η κατάληξη της ονομασίας -ύλιο. Για παράδειγμα, η ομάδα 3 είναι μια ακετυλο ομάδα ή ένα ακετύλιο, η ομάδα είναι μια φορμυλο ομάδα ή ένα φορμύλιο, ενώ η ομάδα 6 5 είναι μια βενζοϋλο ομάδα ή ένα βενζοΰλιο. 3 Î ÏÔ An acyl ÔÌ group ÎÂÙ ÏÔ Acetyl ºÔÚÌ ÏÔ Formyl Benzoyl μâó Ô ÏÔ Αν υπάρχουν και άλλες λειτουργικές ομάδες με μεγαλύτερη προτεραιότητα στην αρίθμηση από το καρβονύλιο (βλέπε Παράρτημα A), το οξυγόνο ενωμένο με διπλό δεσμό στον άνθρακα θεωρείται ως υποκαταστάτης και χρησιμοποιείται το πρόθεμα οξο-. Για παράδειγμα: S S ÍÔÂÍ ÓÔ Îfi ÌÂı ÏÈÔ ΠPBΛMA Ονοματίστε τις ακόλουθες αλδεΰδες και κετόνες κατά IUPA: S (α) 3 2 ( 3 ) 2 (β) 2 2

6 880 PΓANIK XMEIA S S (γ) (δ) 3 (ε) (στ) P S (ζ) P (η) ΠPBΛMA Σχεδιάστε τις δομές που αντιστοιχούν στις ακόλουθες ονομασίες: (α) 3-Μεθυλοβουτανάλη (β) 4-Χλωρο-2-πεντανόνη (γ) Φαινυλοακεταλδεΰδη (δ) cis-3-tert-βουτυλοκυκλοεξανοκαρβαλδεΰδη (ε) 3-Μεθυλο-3-βουτενάλη (στ) 2-(1-Χλωροαιθυλο)-5-μεθυλοεπτανάλη Παρασκευή αλδεϋδών Έχουμε ήδη εξετάσει δύο από τις σημαντικότερες μεθόδους παρασκευής αλδεϋδών: την οξείδωση των πρωτοταγών αλκοολών και την οξειδωτική διάσπαση των αλκενίων. Ας κάνουμε μια σύντομη ανασκόπηση. 1. Οι πρωτοταγείς αλκοόλες μπορούν να οξειδωθούν προς αλδεΰδες (Tμήμα 17.9). Η αντίδραση πραγματοποιείται συνήθως με τη χρήση χλωροχρωμικού πυριδινίου (P) σε διαλύτη διχλωρομεθάνιο και σε θερμοκρασία δωματίου. 2 P 2 l 2 ÈÙÚÔÓÂÏfiÏË itronellol ÈÙÚÔÓÂÏ ÏË itronellal (82%) 2. Αλκένια με ένα τουλάχιστον βινυλικό υδρογόνο υφίστανται οξει-

7 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 881 δωτική διάσπαση κατά την κατεργασία τους με όζον προς σχηματισμό αλδεϋδών (Tμήμα 7.8). Αν η οζονόλυση πραγματοποιηθεί σε κυκλικά αλκένια, τότε προκύπτουν δικαρβονυλικές ενώσεις Zn, ªÂı ÏÔÎ ÎÏÔÂÍ ÓÈÔ 1-Methylcyclohexene 6- ÍÔÂappleÙ Ó ÏË 6-xoheptanal (86%) Μια τρίτη μέθοδος παρασκευής αλδεϋδών είναι αυτή που θα αναφέρουμε παρακάτω εν συντομία και θα επανέλθουμε για λεπτομερέστερη εξέτασή της στο Tμήμα Ορισμένα παράγωγα καρβοξυλικών οξέων μπορούν να αναχθούν μερικώς και να σχηματίσουν αλδεΰδες. Y Y Για παράδειγμα, η μερική αναγωγή των εστέρων από το διισοβουτυλο αργίλιο υδρίδιο (DIBA) είναι μια σημαντική εργαστηριακή μέθοδος παρασκευής αλδεϋδών. Η αντίδραση πραγματοποιείται στους -78 ο (θερμοκρασία ξηρού πάγου) σε διάλυμα τολουολίου και οι αποδόσεις είναι συχνά εξαιρετικές. \ 1. DIBA, ÙÔÏÔ fiïèô, 78Æ \ 3 ( 2 ) ( 2 ) ˆ ÂÎ ÓÔ Îfi ÌÂı ÏÈÔ ˆ ÂÎ Ó ÏË (88%) P όπου DIBA = ( 3 ) 2 2 Al 2 ( 3 ) 2 ΠPBΛMA Πώς θα παρασκευάζατε πεντανάλη με πρώτη ύλη τις ενώσεις που ακολουθούν; (α) 1-Πεντανόλη (β) 1-Εξένιο (γ)

8 882 PΓANIK XMEIA 19.4 Παρασκευή κετονών Κατά το μεγαλύτερο μέρος τους, οι μέθοδοι σύνθεσης κετονών είναι ανάλογες με εκείνες των αλδεϋδών: 1. ι δευτεροταγείς αλκοόλες οξειδώνονται από μια ποικιλία αντιδραστηρίων προς κετόνες (Tμήμα 17.9). Η επιλογή του οξειδωτικού εξαρτάται από παράγοντες όπως είναι η κλίμακα της αντίδρασης, το κόστος και η ευαισθησία της αλκοόλης σε όξινο ή βασικό περιβάλλον. ( 3 ) 3 P 2 l 2 ( 3 ) 3 4-tert-μÔ Ù ÏÔÎ ÎÏÔÂÍ ÓfiÏË 4-tert-Butylcyclohexanol 4-tert-Butylcyclohexanone 4-tert-μÔ Ù ÏÔÎ ÎÏÔÂÍ ÓfiÓË (90%) (90%) 2. Η οζονόλυση των αλκενίων οδηγεί στο σχηματισμό κετονών, εφόσον ένας από τους άνθρακες του διπλού δεσμού είναι διυποκατεστημένος (Tμήμα 7.8): Zn/ Οι αρυλο κετόνες παρασκευάζονται με ακυλίωση Friedel-rafts ενός αρωματικού δακτυλίου με κάποιο χλωρίδιο οξέος, παρουσία All 3 ως καταλύτη (Tμήμα 16.4): 3 l All 3 70% 3 μâó fiïèô Benzene ÎÂÙ ÏÔ ÏˆÚ ÈÔ Acetyl chloride ÎÂÙÔÊ ÈÓfiÓË (95%) Acetophenone (95%) 4. Οι μεθυλο κετόνες παρασκευάζονται κατά την ενυδάτωση ακραίων αλκυνίων, παρουσία g 2+ ως καταλύτη (Tμήμα 8.5):

9 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ S 3 ( 2 ) ( 2 ) 3 3 g(ac) 2 1- Í ÓÈÔ 2- Í ÓfiÓË (78%) 5. Οι κετόνες όπως και οι αλδεΰδες μπορούν να παρασκευασθούν από ορισμένα παράγωγα καρβοξυλικών οξέων. Aπό τις πιο χρήσιμες αντιδράσεις αυτού του τύπου είναι εκείνη μεταξύ ακυλο χλωριδίων και οργανομεταλλικών ενώσεων λιθίου-χαλκού. Θα εξετάσουμε λεπτομερέστερα αυτό το θέμα στο Tμήμα S S 3 ( 2 ) 4 l + ( 3 ) 2 u Li ( 2 ) 4 3 Í ÓÔ ÏÔ ÈÌÂı ÏÔ ÏÎÈÎfi 2- appleù ÓfiÓË ÏˆÚ ÈÔ Ï ıèô (81%) ΠPBΛMA Πώς θα πραγματοποιούσατε τις ακόλουθες αντιδράσεις; Eνδεχομένως να απαιτούνται περισσότερα από ένα στάδια. (α) 3-Εξύνιο 3 3-Εξανόνη (β) Βενζόλιο 3 m-βρωμοακετοφαινόνη (γ) Βρωμοβενζόλιο 3 Ακετοφαινόνη (δ) 1-Μεθυλοκυκλοεξένιο 3 2-Μεθυλοκυκλοεξανόνη ξείδωση αλδεϋδών και κετονών Οι αλδεΰδες οξειδώνονται εύκολα προς καρβοξυλικά οξέα, ενώ οι κετόνες είναι γενικά αδρανείς προς τα κοινά οξειδωτικά. Η διαφορά αυτή είναι συνέπεια της δομής τους: οι αλδεΰδες έχουν στην ομάδα ένα πρωτόνιο, το οποίο μπορεί να αποσπαστεί κατά την οξείδωση, ενώ οι κετόνες δε διαθέτουν τέτοιο πρωτόνιο. AÏ Â Ë Y ÚÔÁfiÓÔ Â Ò [] KÂÙfiÓË ÂÓ apple Ú ÂÈ Â Ò ÚÔÁfiÓÔ

10 884 PΓANIK XMEIA Πολλά οξειδωτικά, στα οποία περιλαμβάνονται το θερμό N 3 και το θερμό KMn 4, μετατρέπουν τις αλδεΰδες σε καρβοξυλικά οξέα, αν και το αντιδραστήριο Jones, r 3, σε υδατικό διάλυμα θειικού οξέος είναι η συνηθέστερη εργαστηριακή επιλογή (Tμήμα 17.9). Η οξείδωση Jones γίνεται γρήγορα σε θερμοκρασία δωματίου, με σχηματισμό προϊόντων σε καλές αποδόσεις. S AÓÙÈ Ú ÛÙ ÚÈÔ Jones S 3 ( 2 ) ( 2 ) 4 AÎÂÙfiÓË, 0Æ Í Ó ÏË Í ÓÔ Îfi ÔÍ (85%) Ένα μειονέκτημα της οξείδωσης Jones είναι ότι λαμβάνει χώρα σε όξινες συνθήκες, οπότε ευαίσθητα μόρια είναι δυνατό να υποστούν δευτερεύουσες αντιδράσεις. Σε τέτοιες περιπτώσεις, η οξείδωση των αλδεϋδών μπορεί να πραγματοποιηθεί με διάλυμα οξειδίου του αργύρου, Ag 2, σε υδατική αμμωνία, το αποκαλούμενο αντιδραστήριο Tollens. 1 Οι αλδεΰδες οξειδώνονται με το αντιδραστήριο Tollens σε υψηλές αποδόσεις, χωρίς να θιγούν οι διπλοί δεσμοί άνθρακα-άνθρακα ή άλλες λειτουργικές ομάδες του μορίου. μâó Ï Â Ë Ag 2 N 4, 2, Èı ÓfiÏË μâó Ô Îfi ÔÍ Ag Κατά τη διάρκεια της οξείδωσης Tollens, στα τοιχώματα της φιάλης αποτίθεται ένας λαμπερός καθρέφτης από μεταλλικό άργυρο. Με τον τρόπο αυτό είναι δυνατός ο ποιοτικός έλεγχος για την παρουσία μιας αλδεϋδικής ομάδας σε ενώσεις άγνωστης δομής. Διαλύουμε ένα μικρό δείγμα της άγνωστης ένωσης σε αιθανόλη, μέσα σ ένα δοκιμαστικό σωλήνα, και προσθέτουμε μερικές σταγόνες αντιδραστηρίου Tollens. Αν ο δοκιμαστικός σωλήνας αποκτήσει ασημένια απόχρωση, συμπεραίνουμε ότι η άγνωστη ένωση είναι μια αλδεΰδη. Η οξείδωση των αλδεϋδών πραγματοποιείται μέσω ενδιάμεσων 1,1-διολών, που ονομάζονται επίσης υδρίτες και σχηματίζονται με αντιστρεπτή πυ- 1 Bernhard Tollens ( ). Γεννήθηκε στο Αμβούργο. Διδακτορικό από το Göttingen. Καθηγητής στο ίδιο Πανεπιστήμιο.

11 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 885 ρηνόφιλη προσθήκη νερού στην καρβονυλική ομάδα. Παρόλο που σχηματίζονται σε μικρή έκταση, σε συνθήκες ισορροπίας, οι υδρίτες αντιδρούν όπως οι τυπικές πρωτοταγείς ή δευτεροταγείς αλκοόλες και οξειδώνονται προς καρβονυλικά παράγωγα (Tμήμα 17.9), δηλαδή στη συγκεκριμένη περίπτωση προς καρβοξυλικά οξέα. 2 r AÏ Â Ë Y Ú ÙË K Ú ÔÍ ÏÈÎfi ÔÍ Οι κετόνες είναι αδρανείς στα περισσότερα οξειδωτικά αντιδραστήρια, όμως υφίστανται βραδεία αντίδραση σχάσης του δεσμού άνθρακα άνθρακα κατά την κατεργασία τους με θερμό αλκαλικό διάλυμα KMn 4. Ο δεσμός δίπλα στο καρβονύλιο διασπάται και παράγονται καρβοξυλικά οξέα. Η αντίδραση αυτή είναι χρήσιμη μόνο σε περιπτώσεις συμμετρικών κετονών, όπως η κυκλοεξανόνη, επειδή από μη συμμετρικές κετόνες σχηματίζονται μίγματα προϊόντων. 1. KMn 4, 2, Na yclohexanone ÎÏÔÂÍ ÓfiÓË exanedioic Í ÓÔ ÈÔ Îfi acid ÔÍ (79%) (79%) 19.6 Aντιδράσεις πυρηνόφιλης προσθήκης αλδεϋδών και κετονών γενικότερη αντίδραση των αλδεϋδών και των κετονών είναι η αντίδραση πυρηνόφιλης προσθήκης. Ένα πυρηνόφιλο προσβάλλει τον ηλεκτρονιόφιλο άνθρακα του =, με διεύθυνση περίπου κάθετη προς το επίπεδο της καρβονυλικής ομάδας, οπότε λαμβάνει χώρα επαναϋβριδισμός του καρβονυλικού άνθρακα από sp 2 σε sp 3 και σχηματίζεται ένα τετραεδρικό ανιόν αλκοξειδίου ως ενδιάμεσο (Σχήμα 19.1).

12 886 PΓANIK XMEIA Nu ' Nu ' K Ú ÔÓ ÏÈÎ ÓˆÛË (sp 2 - ÚÈ ÈÛÌ ÓË) TÂÙÚ Â ÚÈÎfi ÂÓ È ÌÂÛÔ (sp 3 - ÚÈ ÈÛÌ ÓÔ) Ì 19.1 ÓÙ Ú ÛË apple ÚËÓfiÊÈÏË appleúôûı ÎË ÛÂ Ï Â Â ÎÂÙfiÓÂ. ΔÔ appleúôû ÏÏÔÓ apple ÚËÓfiÊÈÏÔ appleïëûè ÂÈ ÙËÓ Î Ú ÔÓ - ÏÈÎ ÔÌ Ì È ı ÓÛË appleâú appleô Î ıâùë ˆ appleúô ÙÔ Âapple appleâ Ô ÙˆÓ ÙÚÔ È ÎÒÓ sp 2. Το προσβάλλον πυρηνόφιλο μπορεί να είναι είτε αρνητικά φορτισμένο (Nu: ) είτε ουδέτερο (:Nu ). Όταν είναι ουδέτερο, το πυρηνόφιλο φέρει συνήθως ένα άτομο υδρογόνου, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να αποσπασθεί. Παραδείγματα πυρηνόφιλων αποτελούν τα ακόλουθα:.. : (ÈfiÓ ÚÔÍÂÈ Ô ).. ÚÈÛÌ Ó ÚÓËÙÈÎ ÊÔÚÙÈÛÌ Ó apple ÚËÓfiÊÈÏ : (ÈfiÓ ÚÈ Ô ) 3 : (Î Ú ÓÈfiÓ).. :.. (ÈfiÓ ÏÎÔÍÂÈ Ô ) N : (ÈfiÓ Î Ó Ô ) ÚÈÛÌ Ó Ô ÙÂÚ apple ÚËÓfiÊÈÏ.... (ÓÂÚfi).... ( ÏÎÔfiÏË) 3 N: ( ÌÌˆÓ ).. N 2 ( Ì ÓË)

13 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 887 Οι αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσθήκης σε αλδεΰδες και κετόνες παρουσιάζουν δύο γενικές παραλλαγές, όπως φαίνεται στο Σχήμα 19.2: (1) το τετραεδρικό ενδιάμεσο μπορεί να πρωτονιωθεί από το νερό ή κάποιο οξύ προς σχηματισμό μιας αλκοόλης, ή (2) το καρβονυλικό άτομο του οξυγόνου μπορεί να αποσπαστεί υπό τη μορφή ΗΟ ή Η 2 Ο, σχηματίζοντας προϊόντα με διπλό δεσμό =Nu. ' Nu Nu ' Nu ' Nu A AÚÎÂÙ ÛÙ È ' Nu Nu 2 ' Ì 19.2 T Ô ÁÂÓÈÎfiÙÂÚ Â Ë ÓÙÈ Ú ÛÂˆÓ appleô ÎÔÏÔ ıô Ó ÙËÓ appleúôûı ÎË apple ÚËÓfiÊÈÏˆÓ ÛÂ Ï Â Â ÎÂÙfiÓÂ. Στο υπόλοιπο αυτού του κεφαλαίου θα εξετάσουμε συγκεκριμένα παραδείγματα αντιδράσεων πυρηνόφιλης προσθήκης. Σ αυτά θα αναφερθούμε τόσο στην αντιστρεπτότητα μιας αντίδρασης όσο και στην κατάλυση από οξέα ή βάσεις της ίδιας αντίδρασης. Μερικές αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσθήκης γίνονται χωρίς κατάλυση, αλλά πολλές άλλες απαιτούν την παρουσία οξέων ή βάσεων για την πραγματοποίησή τους. ΠPBΛMA Ποιο προϊόν θα σχηματισθεί κατά την προσθήκη κυανιούχου ιόντος ( : N) στην ακετόνη, ακολουθούμενη από πρωτονίωση του τετραεδρικού ενδιαμέσου;...

14 888 PΓANIK XMEIA 19.7 Σχετική δραστικότητα αλδεϋδών και κετονών Γενικά, οι αλδεΰδες είναι δραστικότερες από τις κετόνες στις αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσθήκης, τόσο για στερεοχημικούς όσο και για ηλεκτρονικούς λόγους. Από στερεοχημική άποψη, η παρουσία δύο σχετικά ογκωδών υποκαταστατών στις κετόνες έναντι μόνον ενός στις αλδεΰδες συνεπάγεται ότι τα προσβάλλοντα πυρηνόφιλα μπορούν να προσεγγίσουν τις αλδεΰδες ευκολότερα. Έτσι, η μεταβατική κατάσταση που οδηγεί στο τετραεδρικό ενδιάμεσο είναι λιγότερο συνωστισμένη και χαμηλότερης ενέργειας για τις αλδεΰδες απ ό,τι για τις κετόνες (Σχήμα 19.3). ( ) ÙÂÚÂÔÛÎÔappleÈÎ appleô Ë ( ) ÙÂÚÂÔÛÎÔappleÈÎ appleô Ë Ì 19.3 apple ÚËÓfiÊÈÏË appleúôû ÔÏ ÛÂ ÌÈ ÎÂÙfiÓË ( ) apple ÚÂÌappleÔ ÂÙ È ÛÙÂÚÂÔ ËÌÈÎ applefi ÙÔ Ô Û ÂÙÈÎ ÔÁÎÒ ÂÈ appleôî Ù ÛÙ ÙÂ appleô Û Ó Ô- ÓÙ È ÌÂ ÙÔÓ ÓıÚ Î ÙÔ Î Ú ÔÓ Ï Ô. MÈ Ï Â Ë ( ) È ı ÙÂÈ Ó Ó Ìfi- ÓÔ ÔÁÎÒ Ë appleôî Ù ÛÙ ÙË, ÔapplefiÙÂ Ë appleúôû ÔÏ Î ı ÛÙ Ù È ÏÈÁfiÙÂÚÔ apple ÚÂ- ÌappleÔ ÈÛÌ ÓË. Από ηλεκτρονική άποψη, οι αλδεΰδες είναι δραστικότερες από τις κετόνες, εξ αιτίας του μεγαλύτερου βαθμού πόλωσης του αλδεϋδικού καρβονυλίου. Για να αντιληφθούμε αυτή τη διαφορά πόλωσης, ας θυμηθούμε τη σειρά

15 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 889 σταθερότητας των καρβοκατιόντων (Tμήμα 6.10). Τα πρωτοταγή καρβοκατιόντα είναι λιγότερο σταθερά από τα δευτεροταγή, επειδή υπάρχει μια μόνο αλκυλο ομάδα που σταθεροποιεί επαγωγικώς το θετικό φορτίο, αντί για δύο. Για παρόμοιους λόγους, οι αλδεΰδες είναι δραστικότερες από τις κετόνες, επειδή διαθέτουν ένα μόνο αλκύλιο που σταθεροποιεί επαγωγικώς το μερικώς θετικό φορτίο του καρβονυλικού άνθρακα, αντί για δύο. ' 1Æ Î Ú ÔÎ ÙÈfiÓ (ÏÈÁfiÙÂÚÔ ÛÙ ıâúfi, appleâúèûûfiùâúô Ú ÛÙÈÎfi) 2Æ Î Ú ÔÎ ÙÈfiÓ (appleâúèûûfiùâúô ÛÙ ıâúfi, ÏÈÁfiÙÂÚÔ Ú ÛÙÈÎfi) ' AÏ Â Â (ÌÈÎÚfiÙÂÚË ÛÙ ıâúôappleô ËÛË ÙÔ, appleâúèûûfiùâúô Ú ÛÙÈÎ ) KÂÙfiÓÂ (ÌÂÁ Ï ÙÂÚË ÛÙ ıâúôappleô ËÛË ÙÔ, ÏÈÁfiÙÂÚÔ Ú ÛÙÈÎ ) ΠPBΛMA Οι αρωματικές αλδεΰδες, όπως π.χ. η βενζαλδεΰδη, είναι λιγότερο δραστικές στις αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσθήκης από τις αλειφατικές αλδεΰδες. Εξηγήστε. ΠPBΛMA Εξηγήστε ποια από τις δύο ενώσεις περιμένετε να είναι δραστικότερη ως προς πυρηνόφιλη προσθήκη, η p-μεθοξυβενζαλδεΰδη ή η p-νιτροβενζαλδεΰδη; Πυρηνόφιλη προσθήκη 2 : ενυδάτωση Οι αλδεΰδες και οι κετόνες αντιδρούν με το νερό και σχηματίζουν 1,1-διόλες ή δίδυμες (gem-, geminal) διόλες. Η αντίδραση ενυδάτωσης είναι αντιστρεπτή και οι gem-διόλες μπορούν να αποβάλουν νερό και να ξανασχηματίσουν αλδεΰδες ή κετόνες.

16 890 PΓANIK XMEIA 3 3 ÎÂÙfiÓË Acetone À Ú ÙË ÙË ÎÂÙfiÓË Acetone hydrate (gem- ÈfiÏË) (a diol) Η ακριβής θέση ισορροπίας μεταξύ μιας gem-διόλης και μιας αλδεΰδης ή κετόνης εξαρτάται από τη δομή της καρβονυλικής ένωσης. Παρόλο που η ισορροπία στις περισσότερες περιπτώσεις ευνοεί σε μεγάλο βαθμό την καρβονυλική ένωση, σε μερικές απλές αλδεΰδες ευνοείται η gem-διόλη. Για παράδειγμα, ένα υδατικό διάλυμα φορμαλδεΰδης αποτελείται κατά 99,9% από τη gem-διόλη και κατά 0,1% από την αλδεΰδη, ενώ ένα υδατικό διάλυμα ακετόνης αποτελείται κατά μόνο 0,1% από τη gem-διόλη και κατά 99,9% από την κετόνη ÎÂÙfiÓË (99,9%) À Ú ÙË ÙË ÎÂÙfiÓË (0,1%) Acetone (99.9%) Acetone hydrate (0.1%) 2 ºÔÚÌ Ï Â Ë (0,1%) À Ú ÙË ÙË ÊÔÚÌ Ï Â Ë (99,9%) Formaldehyde (0.1%) Formaldehyde hydrate (99.9%) Η πυρηνόφιλη προσθήκη νερού στις αλδεΰδες και τις κετόνες είναι βραδεία σε καθαρό νερό, καταλύεται όμως τόσο από οξέα όσο και από βάσεις. Όπως όλοι οι καταλύτες, τα οξέα και οι βάσεις δε μεταβάλλουν τη θέση ισορροπίας, αλλά επηρεάζουν μόνο την ταχύτητα με την οποία πραγματοποιείται η αντίδραση της ενυδάτωσης. Η αντίδραση ενυδάτωσης με βασική κατάλυση λαμβάνει χώρα με το μηχανισμό που φαίνεται στο Σχήμα Προσβάλλον πυρηνόφιλο είναι το αρνητικά φορτισμένο ιόν του υδροξειδίου. Η αντίδραση ενυδάτωσης με όξινη κατάλυση είναι σταδιακή. Ο όξινος καταλύτης πρωτονιώνει αρχικά το οξυγόνο του καρβονυλίου, φορτίζοντας θετικά το οξυγόνο και καθιστώντας το καρβονύλιο περισσότερο ηλεκτρονιόφιλο. Στη συνέχεια, η πυρηνόφιλη προσθήκη του νερού στην πρωτονιωμένη αλδεΰδη ή κετόνη σχηματίζει μια πρωτονιωμένη gem-διόλη, η οποία με απώλεια ενός Η + οδηγεί στο ουδέτερο προϊόν (Σχήμα 19.5).

17 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 891 TÔ apple ÚËÓfiÊÈÏÔ ÈfiÓ ÚÔÍÂÈ Ô appleúôûù ıâù È ÛÙÔ Î Ú ÔÓ ÏÈÔ ÙË Ï Â Ë ÙË ÎÂÙfiÓË Î È Û ËÌ Ù ÂÈ Ó ÂÓ È ÌÂÛÔ ÈfiÓ ÏÎÔÍÂÈ Ô. TÔ ÛÈÎfi ÂÓ È ÌÂÛÔ ÈfiÓ ÏÎÔÍÂÈ Ô appleôûapple Ó appleúˆùfióèô ( + ) applefi ÙÔ ÓÂÚfi, ÔapplefiÙÂ Û ËÌ Ù ÂÙ È Ë gem- ÈfiÏË Î È Ó ÁÂÓÓ Ù È ÙÔ ÈfiÓ ÙÔ ÚÔÍÂÈ Ô (Î Ù Ï ÙË ) JN MMUY Ì 19.4 MË ÓÈÛÌfi ÂÓ ÙˆÛË Ï Â ÒÓ Î È ÎÂÙÔ- ÓÒÓ ÌÂ ÛÈÎ Î Ù Ï ÛË. TÔ ÈfiÓ ÚÔÍÂÈ Ô Â Ó È Ú ÛÙÈÎfi- ÙÂÚÔ apple ÚËÓfiÊÈÏÔ applefi ÙÔ Ô ÙÂÚÔ ÓÂÚfi. Προσέξτε τη διαφορά ανάμεσα στις διεργασίες της βασικής και της όξινης κατάλυσης. Η αντίδραση που καταλύεται από βάσεις πραγματοποιείται ταχέως, επειδή το νερό μετατρέπεται σε ανιόν υδροξειδίου, που είναι πολύ καλύτερος πυρηνόφιλος δότης. Η αντίδραση που καταλύεται από οξέα πραγματοποιείται ταχέως, επειδή η καρβονυλική ένωση μετατρέπεται με πρωτονίωση σε πολύ καλύτερο ηλεκτρονιόφιλο δέκτη. Η αντίδραση ενυδάτωσης που μόλις περιγράψαμε είναι τυπικό παράδειγμα του τι συμβαίνει όταν οι αλδεΰδες ή οι κετόνες αντιδρούν με πυρηνόφιλα του τύπου Η Υ, όπου το άτομο Υ είναι ηλεκτραρνητικό και μπορεί να σταθεροποιήσει ένα αρνητικό φορτίο (π.χ. οξυγόνο, αλογόνο ή θείο). Σ αυτές τις αντιδράσεις η πυρηνόφιλη προσθήκη είναι αντιστρεπτή με την ισορροπία να ευνοεί την αρχική καρβονυλική ένωση παρά το τετραεδρικό ενδιάμεσο. Με άλλα λόγια, η κατεργασία αλδεϋδών και κετονών με αντιδραστήρια όπως Η 2 Ο, l, Br ή 2 S 4 υπό κανονικές συνθήκες δεν οδηγεί σε προϊόντα προσθήκης. Y ' E ÓÔÂ Ù È fiù Ó Y, Br, l, S 4 ' Y

18 892 PΓANIK XMEIA fiíèóô Î Ù Ï ÙË appleúˆùôóèòóâè ÙÔ ÛÈÎfi ÙÔÌÔ ÔÍ ÁfiÓÔ ÙÔ Î Ú ÔÓ Ï Ô, Î ıèûùòóù ÙËÓ Ï Â Ë ÙËÓ ÎÂÙfiÓË appleôï Î Ï ÙÂÚÔ ÎÙË apple ÚËÓfiÊÈψÓ. apple ÚËÓfiÊÈÏË appleúôûı ÎË ÙÔ Ô ÙÂÚÔ ÓÂÚÔ Û ËÌ Ù ÂÈ ÌÈ appleúˆùôóèˆì ÓË gem- ÈfiÏË. 2 2 M applefiûapple ÛË ÂÓfi appleúˆùôó Ô Ó ÁÂÓÓ Ù È Ô fiíèóô Î Ù Ï ÙË Î È Û ËÌ Ù ÂÙ È Ë Ô ÙÂÚË gem- ÈfiÏË JN MMUY 3 Ì 19.5 MË ÓÈÛÌfi ÂÓ ÙˆÛË Ï Â ÒÓ Î È ÎÂÙÔÓÒÓ Ì fiíèóë Î Ù Ï ÛË. TÔ ÔÍ appleúˆùôóèòóâè ÙÔ Î Ú ÔÓ ÏÈÔ Î È ÙÔ Î ıèûù appleèô ËÏÂÎÙÚÔÓÈfiÊÈÏÔ Î È appleèô Ú ÛÙÈÎfi. ΠPBΛMA Όταν η τριχλωροακεταλδεΰδη (χλωράλη, l 3 ) διαλυθεί στο νερό, μετατρέπεται κυρίως στη gem-διόλη της (υδρίτης της χλωράλης). Ποια είναι η δομή του υδρίτη της χλωράλης; ΠPBΛMA Το οξυγόνο του νερού είναι κυρίως (κατά 99,8%) 16 Ο, αλλά υπάρχει διαθέσιμο και νερό εμπλουτισμένο σε 18 Ο. Όταν αλδεΰδες ή κετόνες διαλυθούν σε νερό εμπλουτισμένο σε 18 Ο, το βαρύ ισότοπο (ισοτοπική επισήμανση) ενσωματώνεται στο καρβονύλιο: Εξηγήστε * 3 2 * + 2 (fiappleô * = 18 )

19 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 893 ΠPBΛMA Εξηγήστε γιατί η αντίδραση S N 2 του (διβρωμομεθυλο)βενζολίου, 6 5 Br 2, με Na σχηματίζει βενζαλδεΰδη και όχι (διυδροξυμεθυλο)βενζόλιο, 6 5 () Πυρηνόφιλη προσθήκη N: κυανυδρίνες Οι αλδεΰδες και οι μη στερεοχημικά παρεμποδισμένες κετόνες αντιδρούν με το N και σχηματίζουν κυανυδρίνες, () N. Για παράδειγμα, κατά την κατεργασία της βενζαλδεΰδης με N σχηματίζεται η κυανυδρίνη μαντελονιτρίλιο σε απόδοση 88%: N N μâó Ï Â Ë ª ÓÙÂÏÔÓÈÙÚ ÏÈÔ (88%) Benzaldehyde Mandelonitrile (88%) (Î Ó Ú ÓË) (a cyanohydrin) Λεπτομερείς μελέτες που έγιναν στις αρχές του 19ου αιώνα από τον Arthur Lapworth 2 απέδειξαν ότι ο σχηματισμός των κυανυδρινών είναι αντιστρεπτός και καταλύεται από βάσεις. Η αντίδραση γίνεται αργά με καθαρό N, αλλά επιταχύνεται σημαντικά αν προστεθεί μικρή ποσότητα βάσης, η οποία ευνοεί το σχηματισμό του ισχυρού πυρηνόφιλου ιόντος κυανίου, N. Η προσθήκη του N σε αλδεΰδες ή κετόνες γίνεται μέσω μιας τυπικής πορείας πυρηνόφιλης προσθήκης, σχηματίζοντας ένα τετραεδρικό ενδιάμεσο, το οποίο πρωτονιώνεται από το N, για να δώσει τελικά μια κυανυδρίνη, ενώ αναγεννάται το N. N N N N N Benzaldehyde μâó Ï Â Ë TÂÙÚ Â ÚÈÎfi ª ÓÙÂÏÔÓÈÙÚ ÏÈÔ Mandelonitrile (88%) ÂÓ È ÌÂÛÔ 2 Arthur Lapworth ( ). Γεννήθηκε στο Galashiels της Σκωτίας. D.Sc. από το ity and Guilds Institute του Λονδίνου. Kαθηγητής στο Πανεπιστήμιο του Mάντσεστερ ( ).

20 894 PΓANIK XMEIA Ο σχηματισμός κυανυδρινών παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον, επειδή αποτελεί ένα από τα σπάνια παραδείγματα προσθήκης οξέος σε καρβονυλομάδα. Όπως αναφέρθηκε στο προηγούμενο τμήμα, οξέα όπως το Br, το l, το 2 S 4 και το 3 δεν παρέχουν προϊόντα προσθήκης σε καρβονυλομάδες, επειδή η σταθερά ισορροπίας της αντίδρασης δεν είναι ευνοϊκή. Ωστόσο, στην περίπτωση του N η ισορροπία ευνοεί το σχηματισμό του προϊόντος προσθήκης. Ο σχηματισμός κυανυδρινών είναι χρήσιμος, επειδή η κυανομάδα μπορεί να συμμετάσχει σε νέες αντιδράσεις. Για παράδειγμα, τα νιτρίλια (N) μπορούν να αναχθούν με LiAl 4 προς πρωτοταγείς αμίνες ( 2 N 2 ) και να υδρολυθούν από θερμά αραιά οξέα προς καρβοξυλικά οξέα. Έτσι, ο σχηματισμός των κυανυδρινών προσφέρει μεθόδους μετατροπής των αλδεϋδών και των κετονών σε διαφορετικές λειτουργικές ομάδες. 1. LiAl 4, TF N 2 N N 2- ÌÈÓÔ-1-Ê ÈÓ ÏÔ Èı ÓfiÏË 2-Amino-1-phenylethanol μâó Ï Â Ë Benzaldehyde Mandelonitrile ª ÓÙÂÏÔÓÈÙÚ ÏÈÔ 3, ª ÓÙÂÏÈÎfi Mandelic acid (90%) ( Ì Á ÏÈÎfi) ÔÍ (90%) ΠPBΛMA Εξηγήστε γιατί η κυκλοεξανόνη σχηματίζει κυανυδρίνη σε καλή απόδοση, ενώ η 2,2,6-τριμεθυλοκυκλοεξανόνη είναι αδρανής στο αντιδραστήριο N/KN Πυρηνόφιλη προσθήκη αντιδραστηρίων Grignard: σχηματισμός αλκοολών Η αντίδραση ενός αντιδραστηρίου Grignard, MgX, με μια αλδεΰδη ή κετόνη προς σχηματισμό μιας αλκοόλης (Tμήμα 17.7), αποτελεί πυρηνόφιλη προσθήκη ενός καρβανιόντος. Ο δεσμός Mg στα αντιδραστήρια Grignard είναι

21 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 895 τόσο ισχυρά πολωμένος, ώστε τα αντιδραστήρια Grignard συμπεριφέρονται από πρακτική άποψη ως : + MgX. Η συμπλοκοποίηση του Mg 2+ με το καρβονυλικό οξυγόνο σε μια αντίδραση οξέος-βάσεως χρησιμεύει αρχικά στο να καταστήσει το καρβονύλιο καλύτερο δέκτη ηλεκτρονίων. Στη συνέχεια, με πυρηνόφιλη προσθήκη του : σχηματίζεται ένα τετραεδρικό ενδιάμεσο αλκοξείδιο του μαγνησίου. Πρωτονίωση με προσθήκη αραιού οξέος οδηγεί στην ουδέτερη αλκοόλη (Σχήμα 19.6). Σε αντίθεση με την πυρηνόφιλη προσθήκη νερού ή N, οι προσθήκες των αντιδραστηρίων Grignard δεν είναι αντιστρεπτές, επειδή τα καρβανιόντα είναι πολύ κακές αποχωρούσες ομάδες και δεν αποβάλλονται στο πιθανό αντιστρεπτό στάδιο. MgX MgX ÚËÓfiÊÈÏË appleúôûı ÎË 3 MgX K Ú ÔÓ ÏÈÔ TÂÙÚ Â ÚÈÎfi ÂÓ È ÌÂÛÔ AÏÎÔfiÏË Ì 19.6 MË ÓÈÛÌfi ÙË ÓÙ Ú ÛË Grignard, ÙË apple ÚËÓfi- ÊÈÏË appleúôûı ÎË Î Ú ÓÈfiÓÙˆÓ ÛÂ Ï Â Â ÎÂÙfiÓ Πυρηνόφιλη προσθήκη υδριδίου: αναγωγή Η αναγωγή αλδεϋδών και κετονών προς αλκοόλες (Tμήμα 17.6) αποτελεί αντίδραση πυρηνόφιλης προσθήκης ενός ιόντος υδριδίου, :Η. Οι ακριβείς μηχανιστικές λεπτομέρειες της αναγωγής του καρβονυλίου είναι ιδιαίτερα περίπλοκες, όμως μπορούμε να θεωρήσουμε ότι τα κοινά αναγωγικά αντιδραστήρια LiAl 4 και NaB 4 συμπεριφέρονται ως δότες ιόντων υδριδίου (Σχήμα 19.7). Η προσθήκη νερού ή αραιού οξέος μετά το στάδιο της προσθήκης του υδριδίου πρωτονιώνει το τετραεδρικό ενδιάμεσο ιόν αλκοξειδίου προς σχηματισμό μιας αλκοόλης. ' applefi NaB 4 ' 3 ' 2 Ì 19.7 MË ÓÈÛÌfi Ó ÁˆÁ ÙË Î Ú ÔÓ ÏÔÌ Ì apple - ÚËÓfiÊÈÏË appleúôûı ÎË ÈfiÓÙÔ ÚÈ Ô applefi ÙÔ NaB 4 ÙÔ LiAl 4.

22 896 PΓANIK XMEIA Πυρηνόφιλη προσθήκη αμινών: σχηματισμός ιμινών και εναμινών Οι πρωτοταγείς αμίνες, N 2, προστίθενται στις αλδεΰδες και τις κετόνες και σχηματίζουν ιμίνες, 2 =N. Οι δευτεροταγείς αμίνες προστίθενται με παρόμοιο τρόπο και σχηματίζουν εναμίνες, 2 N = 2 (εν + αμίνη = ακόρεστη αμίνη). Οι ιμίνες αποτελούν σημαντικά ενδιάμεσα σε πολλές μεταβολικές οδούς. Στο Kεφάλαιο 30 θα τις συναντήσουμε αρκετές φορές. 2 N N 2 AÏ Â Ë ÎÂÙfiÓË 2 N N 2 IÌ ÓË EÓ Ì ÓË Ο σχηματισμός ιμινών φαίνεται διαφορετικός από το σχηματισμό εναμινών, επειδή ο ένας καταλήγει σε προϊόν με διπλό δεσμό =N, ενώ ο άλλος σε προϊόν με διπλό δεσμό =. Στην πραγματικότητα, όμως, πρόκειται για παρόμοιες αντιδράσεις. Και οι δύο αποτελούν τυπικό δείγμα αντιδράσεων πυρηνόφιλης προσθήκης, όπου το αρχικά σχηματιζόμενο τετραεδρικό ενδιάμεσο δεν απομονώνεται. Aντίθετα, αποσπάται ένα μόριο νερού και σχηματίζεται ένας νέος δεσμός =Nu. Οι ιμίνες σχηματίζονται σε μια αντιστρεπτή διεργασία με όξινη κατάλυση, που περιλαμβάνει πυρηνόφιλη προσβολή του καρβονυλίου από την πρωτοταγή αμίνη και στη συνέχεια μεταφορά ενός πρωτονίου από το άζωτο στο οξυγόνο προς σχηματισμό μιας ουδέτερης αμινο αλκοόλης ή καρβινολαμίνης. πρωτονίωση του οξυγόνου της καρβινολαμίνης από τον όξινο καταλύτη μετατρέπει το υδροξύλιο σε καλή αποχωρούσα ομάδα, με αποτέλεσμα την αποβολή ενός μορίου νερού μέσω μιας διεργασίας τύπου Ε1 και το σχηματισμό ενός κατιόντος ιμινίου. Mε απόσπαση ενός πρωτονίου σχηματίζεται το τελικό προϊόν και αναγεννάται ο καταλύτης (Σχήμα 19.8).

23 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 897 AÏ Â Ë/KÂÙfiÓË apple ÚËÓfiÊÈÏË appleúôû ÔÏ ÙË Ï Â Ë ÙË ÎÂÙfiÓË applefi ÙÔ ÌÔÓ Ú  ÁÔ ËÏÂÎÙÚÔÓ ˆÓ ÌÈ Ì ÓË Û ËÌ Ù ÂÈ Ó ÈappleÔÏÈÎfi ÙÂÙÚ Â ÚÈÎfi ÂÓ È ÌÂÛÔ. ŒÓ appleúˆùfióèô ÌÂÙ Ê ÚÂÙ È Î ÙfiappleÈÓ applefi ÙÔ ˆÙÔ ÛÙÔ ÔÍ ÁfiÓÔ Î È Û ËÌ Ù ÂÙ È Ë Ô ÙÂÚË Î Ú ÈÓÔÏ Ì ÓË. N 2 N 2 MÂÙ ÊÔÚ appleúˆùôó Ô N K Ú ÈÓÔÏ Ì ÓË fiíèóô Î Ù Ï ÙË appleúˆùôóèòóâè ÙÔ ÔÍ ÁfiÓÔ ÙÔ ÚÔÍ Ï Ô. 3 2 N TÔ ÌÔÓ Ú  ÁÔ ËÏÂÎÙÚÔÓ ˆÓ ÙÔ ÒÙÔ Û ÓÙÂÏ ÛÙËÓ appleô ÔÏ ÂÓfi ÌÔÚ Ô ÓÂÚÔ, Ô ËÁÒÓÙ ÛÙÔ Û ËÌ ÙÈÛÌfi ÂÓfi Î ÙÈfiÓÙÔ ÈÌÈÓ Ô. N 2 2 K ÙÈfiÓ ÈÌÈÓ Ô applefiûapple ÛË + applefi ÙÔ ˆÙÔ Î Ù Ï ÁÂÈ ÛÙÔ ÙÂÏÈÎfi appleúô fió, ÙËÓ Ô ÙÂÚË ÈÌ ÓË. N JN MMUY IÌ ÓË Ì 19.8 MË ÓÈÛÌfi Û ËÌ ÙÈÛÌÔ ÈÌÈÓÒÓ Î Ù ÙËÓ ÓÙ Ú ÛË Ï Â ÒÓ ÎÂÙÔÓÒÓ Ì appleúˆùôù ÁÂ Ì ÓÂ.

24 898 PΓANIK XMEIA Ο σχηματισμός των ιμινών πραγματοποιείται αργά τόσο σε υψηλό όσο και σε χαμηλό p, αλλά φθάνει σε κάποια μέγιστη ταχύτητα σε συνθήκες ελαφρώς όξινου p. Για παράδειγμα, η γραφική παράσταση της μεταβολής της ταχύτητας στην αντίδραση μεταξύ ακετόνης και υδροξυλαμίνης, Η 2 ΝΟΗ, σε συνάρτηση με τη μεταβολή του p, δείχνει ότι η μέγιστη ταχύτητα της αντίδρασης επιτυγχάνεται σε p=4,5 (Σχήμα 19.9). T ÙËÙ ÓÙ Ú ÛË p Ì 19.9 EÍ ÚÙËÛË applefi ÙÔ p ÙË Ù ÙËÙ ÙË ÓÙ - Ú ÛË ÌÂÙ Í ÎÂÙfiÓË Î È ÚÔÍ Ï Ì ÓË : ( 3 ) 2 = + 2 N 3 ( 3 ) 2 =N + 2. Mπορούμε να ερμηνεύσουμε την παρατηρούμενη μέγιστη τιμή της ταχύτητας σε p=4,5, αν εξετάσουμε κάθε επιμέρους στάδιο του συγκεκριμένου μηχανισμού. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 19.8, για την πρωτονίωση της ενδιάμεσης καρβινολαμίνης απαιτείται κάποιος όξινος καταλύτης, ο οποίος μετατρέπει το ΟΗ σε καλύτερη αποχωρούσα ομάδα. Κατά συνέπεια, η αντίδραση δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί αν δεν υπάρχει αρκετό οξύ (δηλαδή, σε υψηλό p). Από την άλλη πλευρά, αν υπάρχει περισσότερο οξύ απ όσο πρέπει (χαμηλό p), η αμίνη που είναι το προσβάλλον πυρηνόφιλο πρωτονιώνεται πλήρως, οπότε είναι αδύνατο να λάβει χώρα το αρχικό στάδιο της πυρηνόφιλης προσθήκης: 2 N A 3 N A B ÛË Í ÂÓ Â Ó È apple ÚËÓfiÊÈÏÔ Προφανώς, η τιμή του p = 4,5 αποτελεί συμβιβασμό ανάμεσα στην ανάγκη να υπάρχει κάποια ποσότητα οξέος που θα καταλύσει το καθοριστικό

25 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 899 στάδιο για την ταχύτητα της αντίδρασης, την αφυδάτωση, και στην ανάγκη να μην υπερβεί η ποσότητα του οξέος κάποιο συγκεκριμένο επίπεδο, ώστε να αποφευχθεί η πλήρης πρωτονίωση της αμίνης. Κάθε συγκεκριμένη αντίδραση πυρηνόφιλης προσθήκης έχει τις ιδιαίτερες απαιτήσεις της, οπότε οι συνθήκες της αντίδρασης πρέπει να ελέγχονται, προκειμένου να επιτύχουμε τη μέγιστη ταχύτητα. Ο σχηματισμός ιμινών από αντιδραστήρια όπως η υδροξυλαμίνη (ΝΗ 2 ΟΗ), το σεμικαρβαζίδιο (N 2 NN 2 ) και η 2,4-δινιτροφαινυλυδραζίνη είναι ιδιαίτερα χρήσιμος, επειδή τα προϊόντα αυτών των αντιδράσεων οξίμες, σεμικαρβαζόνες και 2,4-δινιτροφαινυλυδραζόνες (2,4-DNP) είναι συνήθως κρυσταλλικά και εύκολα στο χειρισμό. Τέτοια κρυσταλλικά παράγωγα παρασκευάζονται μερικές φορές για την ταυτοποίηση υγρών αλδεϋδών ή κετονών. Οξίμες N 2 N 2 yclohexanone ÎÏÔÂÍ ÓfiÓË ydroxylamine À ÚÔÍ Ï Ì ÓË yclohexanone Í ÌË Î ÎÏÔÂÍ ÓfiÓË oxime (mp (Û.Ù. 90 ) o ) Σεμικαρβαζόνες N N N 2 2 NNN 2 μâó Ï Â Ë Benzaldehyde ÂÌÈÎ Ú ÈÔ Semicarbazide Benzaldehyde ÂÌÈÎ Ú fióë semicarbazone ÂÓ Ï Â Ë (mp (Û.Ù. 222 ) o ) 2,4-Δινιτροφαινυλυδραζόνες 3 2 N 3 N N 2 N 2 N N 3 3 N 2 N 2 ÎÂÙfiÓË Acetone 2,4-Dinitrophenylhydrazine 2,4- ÈÓÈÙÚÔÊ ÈÓ Ï Ú ÓË Acetone 2,4- ÈÓÈÙÚÔÊ ÈÓ Ï Ú fióë 2,4-dinitrophenylhydrazone ÎÂÙfiÓË (mp (Û.Ù. 126 ) o ÙË )

26 900 PΓANIK XMEIA M apple ÚËÓfiÊÈÏË appleúôûı ÎË ÌÈ Â ÙÂÚÔÙ ÁÔ Ì ÓË ÛÂ Ï Â Ë ÎÂÙfiÓË, ÎÔÏÔ ıô ÌÂÓË applefi ÙË ÌÂÙ ÊÔÚ ÂÓfi appleúˆùôó Ô applefi ÙÔ ˆÙÔ ÛÙÔ ÔÍ ÁfiÓÔ, Û ËÌ Ù ÂÙ È ÌÈ ÂÓ È ÌÂÛË Î Ú ÈÓÔÏ Ì ÓË. appleúˆùôó ˆÛË ÙÔ ÚÔÍ Ï Ô applefi ÙÔÓ fiíèóô Î Ù Ï ÙË ÙÔ ÌÂÙ ÙÚ appleâè ÛÂ Î Ï ÙÂÚË appleô ˆÚÔ Û ÔÌ. 2 N 2 N 2 M appleô ÔÏ ÓÂÚÔ ÏfiÁˆ ÙÔ ÌÔÓ ÚÔ Â ÁÔ ËÏÂÎÙÚÔÓ ˆÓ ÙÔ ÒÙÔ Û ËÌ Ù ÂÙ È ÛÙË Û Ó ÂÈ Ó ÂÓ È ÌÂÛÔ Î ÙÈfiÓ ÈÌÈÓ Ô. 2 N N 2 applefiûapple ÛË ÂÓfi appleúˆùôó Ô applefi ÙÔÓ ÏÊ - ÓıÚ Î Ô ËÁ ÛÙÔ Û ËÌ ÙÈÛÌfi ÂÓ Ì ÓË Î È ÛÙËÓ Ó Á ÓÓËÛË ÙÔ fiíèóô Î Ù Ï ÙË. N JN MMUY EÓ Ì ÓË Ì MË ÓÈÛÌfi Û ËÌ ÙÈÛÌÔ ÂÓ ÌÈÓÒÓ Î Ù ÙËÓ ÓÙ Ú ÛË Ï Â ÒÓ ÎÂÙÔÓÒÓ Ì  ÙÂÚÔÙ ÁÂ Ì - ÓÂ, 2 N.

27 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 901 Οι εναμίνες σχηματίζονται όταν αλδεΰδες ή κετόνες αντιδράσουν με δευτεροταγείς αμίνες, 2 N. Η διεργασία είναι η ίδια με το σχηματισμό των ιμινών μέχρι το στάδιο του ιμινικού κατιόντος, αλλά σ αυτό το σημείο δεν υπάρχει πρωτόνιο στο άζωτο για να αποβληθεί, ώστε να σχηματιστεί ουδέτερο προϊόν. Έτσι, αποβάλλεται ένα πρωτόνιο από τον α άνθρακα, με αποτέλεσμα το σχηματισμό μιας εναμίνης (Σχήμα 19.10). ΠPBΛMA Yποδείξτε τα προϊόντα που θα σχηματισθούν από την αντίδραση της κυκλοεξανόνης με αιθυλαμίνη, 3 2 N 2, και με διαιθυλαμίνη, ( 3 2 ) 2 N. ΠPBΛMA Ο σχηματισμός των ιμινών είναι αντιστρεπτός. Yποδείξτε όλα τα στάδια που περιλαμβάνει η υδρόλυση μιας ιμίνης προς αλδεΰδη ή κετόνη και κάποια πρωτοταγή αμίνη Πυρηνόφιλη προσθήκη υδραζίνης: αντίδραση Wolff-Kishner Mια χρήσιμη παραλλαγή της αντίδρασης σχηματισμού ιμινών που μόλις μελετήσαμε είναι η κατεργασία αλδεϋδών ή κετονών με υδραζίνη, Η 2 ΝΝΗ 2, παρουσία ΚΟΗ. αντίδραση αυτή ανακαλύφθηκε ανεξάρτητα, το 1911, από τον Ludwig Wolff 3 στη Γερμανία και τον N. M. Kishner 4 στη Ρωσία και αποτελεί μια ιδιαίτερα χρήσιμη συνθετική μέθοδο για τη μετατροπή αλδεϋδών ή κετονών σε αλκάνια, 2 = Η αντίδραση Wolff-Kishner γινόταν αρχικά σε υψηλές θερμοκρασίες, έως και 240 o, αλλά μια μεταγενέστερη τροποποίησή της, κατά την οποία χρησιμοποιείται ως διαλύτης διμεθυλοσουλφοξείδιο, επιτρέπει στην αντίδραση να πραγματοποιηθεί σχεδόν σε θερμοκρασία δωματίου NN 2 K 2 3 N 2 2 ÚÔappleÈÔÊ ÈÓfiÓË Propiophenone ÚÔapple ÏÔ ÂÓ fiïèô (82%) Propylbenzene (82%) 3 Ludwig Wolff ( ). Γεννήθηκε στο Neustadt/ardt. Διδακτορικό από το Στρασβούργο (Fittig). Kαθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Iένας. 4 N.M. Kishner ( ). Γεννήθηκε στη Mόσχα. Διδακτορικό από τη Mόσχα (Mαρκόβνικοβ). Kαθηγητής στα Πανεπιστήμια Tομσκ και Mόσχας.

28 902 PΓANIK XMEIA 2 NN 2 K 3 N 2 2 yclopropanecarbaldehyde ÎÏÔappleÚÔapple ÓÔÎ Ú Ï Â Ë Η αντίδραση Wolff-Kishner περιλαμβάνει το σχηματισμό μιας υδραζόνης ως ενδιαμέσου, 2 =NN 2, ακολουθούμενη από μετατόπιση του διπλού δεσμού με βασική κατάλυση, αποβολή αερίου Ν 2 και τελικά το σχηματισμό ενός αλκανίου (Σχήμα 19.11). Η μετατόπιση του διπλού δεσμού λαμβάνει χώρα όταν η βάση αποσπάσει ένα από τα ασθενώς όξινα πρωτόνια ΝΗ προς σχηματισμό του ανιόντος της υδραζόνης. Δεδομένου ότι το ανιόν της υδραζόνης διαθέτει δομή συντονισμού αλλυλικού τύπου, η οποία τοποθετεί το διπλό δεσμό ανάμεσα σε δύο άτομα αζώτου και το αρνητικό φορτίο στον άνθρακα, πραγματοποιείται η πρωτονίωση στον άνθρακα, με αποτέλεσμα το σχηματισμό προϊόντος με μετατοπισμένο διπλό δεσμό. Το προτελευταίο στάδιο, δηλ. η απώλεια αζώτου προς σχηματισμό ενός αλκυλο ανιόντος, έχει ως ωθούσα δύναμη τη μεγάλη θερμοδυναμική σταθερότητα του μορίου Ν 2. Σημειώστε ότι η αναγωγή Wolff-Kishner επιτυγχάνει την ίδια συνολική μετατροπή που επιτυγχάνεται και με την καταλυτική υδρογόνωση των ακυλοβενζολίων προς αλκυλοβενζόλια (Tμήμα 16.11). αναγωγή Wolff- Kishner, όμως, είναι πιο γενική και πιο χρήσιμη από την καταλυτική υδρογόνωση, επειδή είναι αποτελεσματική τόσο με τις αλκυλο όσο και με τις αρυλο κετόνες. Εκτός από την αντίδραση Wolff-Kishner, μια άλλη διεργασία που αποκαλείται αναγωγή lemmensen 5, επιτυγχάνει επίσης τη μετατροπή αλδεϋδών ή κετονών σε αλκάνια. Η αναγωγή lemmensen, ο μηχανισμός της οποίας είναι περίπλοκος, περιλαμβάνει την κατεργασία της καρβονυλικής ένωσης με αμάλγαμα ψευδαργύρου, Zn(g), και πυκνό υδατικό διάλυμα l. Η αντίδραση, αυτή χρησιμοποιείται κυρίως όταν η αλδεΰδη ή η κετόνη είναι ευαίσθητη στο έντονα βασικό περιβάλλον που απαιτείται για την αναγωγή Wolff- Kishner. ªÂı ÏÔÎ ÎÏÔappleÚÔapple ÓÈpropane (72%) Methylcyclo- (72%) 2 3 Zn(g) ÚÔappleÈÔÊ ÈÓfiÓË ÚÔapple ÏÔ ÂÓ fiïèô (86%) Propiophenone Propylbenzene (86%) 5 E.. lemmensen ( ). Γεννήθηκε στο dense της Δανίας. Διδακτορικό από την Kοπεγχάγη. Iδρυτής της εταιρίας lemmensen hemical orp., στο Newark της Nέας Yόρκης.

29 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 903 M ÓÙ Ú ÛË ÙË Ï Â Ë ÙË ÎÂÙfiÓË ÌÂ Ú ÓË Û ËÌ Ù ÂÙ È ÌÈ Ú fióë. ' 2 NN 2 N N 2 ÛË appleôûapple Î ÙfiappleÈÓ Ó applefi Ù ÛıÂÓÒ fiíèó appleúˆùfióè ÙË N 2, Û ËÌ Ù ÔÓÙ ÙÔ ÓÈfiÓ ÙË Ú fióë. A Ùfi ÙÔ ÓÈfiÓ ÂÈ ÏÏ ÏÈÎ ÔÌ Û ÓÙÔÓÈÛÌÔ, Ë ÔappleÔ ÙÔappleÔıÂÙ ÙÔ ÚÓËÙÈÎfi ÊÔÚÙ Ô ÛÙÔÓ ÓıÚ Î Î È ÙÔ ÈappleÏfi ÂÛÌfi Ó ÌÂÛ ÛÙ ÙÔÌ ÙÔ ÒÙÔ. appleúˆùôó ˆÛË ÙÔ ÓÈfiÓÙÔ ÙË Ú fióë appleú ÁÌ ÙÔappleÔÈÂ Ù È ÛÙÔÓ ÓıÚ Î Î È Û ËÌ Ù ÂÙ È Ó Ô ÙÂÚÔ appleúô fió ˆ ÂÓ È ÌÂÛÔ. N N ' 2 ' N N N ' 2 N ' appleô ÔÏ ÒÙÔ Ì ÛÈÎ Î Ù Ï ÛË Û ËÌ Ù ÂÈ ÛÙË Û Ó ÂÈ Ó Î Ú ÓÈfiÓ ' N N 2 ÙÔ ÔappleÔ Ô appleúˆùôóèòóâù È Û ËÌ Ù ÔÓÙ ÙÔ Ô ÙÂÚÔ ÏÎ ÓÈÔ JN MMUY ' Ì MË ÓÈÛÌfi ÙË Ó ÁˆÁ Wolff-Kishner Ï-  ÒÓ ÎÂÙÔÓÒÓ appleúô ÏÎ ÓÈ.

30 904 PΓANIK XMEIA Πυρηνόφιλη προσθήκη αλκοολών: σχηματισμός ακεταλών ι αλδεΰδες και οι κετόνες αντιδρούν αντιστρεπτά με τις αλκοόλες παρουσία όξινων καταλυτών και σχηματίζουν ακετάλες, 2 ( ) 2 (παλιότερα ονομάζονταν επίσης κετάλες). ' 2 ' ŸÍÈÓÔ Î Ù Ï ÙË 2 ' AÏ Â Ë/KÂÙfiÓË AÎÂÙ ÏË Ο σχηματισμός των ακεταλών είναι παρόμοιος με την αντίδραση ενυδάτωσης που μελετήσαμε στο Tμήμα Όπως και το νερό, οι αλκοόλες είναι ασθενή πυρηνόφιλα, που σε ουδέτερες συνθήκες προστίθενται βραδέως σε αλδεΰδες ή κετόνες. Σε όξινες συνθήκες όμως η δραστικότητα του καρβονυλίου αυξάνεται με την πρωτονίωση, έτσι ώστε η προσθήκη των αλκοολών να πραγματοποιείται ταχέως. A ÙÂÚÔ Î Ú ÔÓ ÏÈÔ ( ÛıÂÓ apple ÚËÓfiÊÈÏÔ) ÚˆÙÔÓÈˆÌ ÓÔ Î Ú ÔÓ ÏÈÔ (ÈÛ Úfi ËÏÂÎÙÚÔÓÈfiÊÈÏÔ Î È appleôï Ú ÛÙÈÎfi Ì ٠apple ÚËÓfiÊÈÏ ) Η πυρηνόφιλη προσθήκη αλκοολών στο καρβονύλιο σχηματίζει αρχικά έναν υδροξυ αιθέρα που ονομάζεται ημιακετάλη, ένωση ανάλογη προς τη gem-διόλη που σχηματίζεται κατά την αντίστοιχη προσθήκη του νερού (Tμήμα 19.8). Οι ημιακετάλες σχηματίζονται αντιστρεπτά και η ισορροπία υπό κανονικές συνθήκες ευνοεί την καρβονυλική ένωση. Παρουσία οξέων, ωστόσο, μπορεί να λάβει χώρα περαιτέρω αντίδραση. Πρωτονίωση του υδροξυλίου, ακολουθούμενη από απώλεια νερού με μηχανισμό Ε1, οδηγεί στο σχηματισμό ενός οξωνιακού κατιόντος, 2 = +, το οποίο αντιδρά με ένα δεύτερο ισοδύναμο αλκοόλης σχηματίζοντας την ακετάλη. Για παράδειγμα, η αντίδραση της κυκλοεξανόνης με μεθανόλη οδηγεί στο σχηματισμό της διμεθυλο ακετάλης της. Ο μηχανισμός αναλύεται στο Σχήμα

31 l 905 appleúˆùôó ˆÛË ÙÔ Î Ú ÔÓ ÏÈÎÔ ÔÍ ÁfiÓÔ appleôïòóâè ÓÙÔÓ ÙÔ Î Ú ÔÓ ÏÈÔ Î È ÂÓÂÚÁÔappleÔÈ ÙËÓ Î Ú ÔÓ ÏÈÎ ÔÌ ÁÈ apple ÚËÓfiÊÈÏË appleúôû ÔÏ applefi ÙÔ ÌÔÓ Ú  ÁÔ ËÏÂÎÙÚÔÓ ˆÓ ÙÔ ÔÍ ÁfiÓÔ ÙË ÏÎÔfiÏË. AapplefiÛapple ÛË ÂÓfi appleúˆùôó Ô Ô ËÁ ÛÂ Ó ÙÂÙÚ Â ÚÈÎfi ÂÓ È ÌÂÛÔ, ÌÈ Ô ÙÂÚË ËÌÈ ÎÂÙ ÏË. 2 ÌÈ ÎÂÙ ÏË appleúˆùôó ˆÛË ÙÔ ÚÔÍ Ï Ô ÙË ËÌÈ ÎÂÙ ÏË ÙÔ ÌÂÙ ÙÚ appleâè ÛÂ Î Ï appleô ˆÚÔ Û ÔÌ. l 3 2 AÊ ÙˆÛË Ô ËÁ ÛÙÔ Û ËÌ ÙÈÛÌfi ÂÓfi Ô͈ÓÈ ÎÔ ÈfiÓÙÔ ˆ ÂÓ È Ì ÛÔ. M appleúôûı ÎË ÂÓfi  ÙÂÚÔ ÈÛÔ Ó ÌÔ ÏÎÔfiÏË Û ËÌ Ù ÂÙ È Ë appleúˆùôóèˆì ÓË ÎÂÙ ÏË. 2 Ì MË ÓÈÛÌfi Û Ë- Ì ÙÈÛÌÔ ÎÂÙ - ÏÒÓ Ì fiíèóë Î - Ù Ï ÛË, Î Ù ÙËÓ ÓÙ Ú ÛË Ï Â - ÒÓ ÎÂÙÔÓÒÓ Ì ÏÎÔfiÏÂ. M applefiûapple ÛË ÂÓfi appleúˆùôó Ô Û ËÌ Ù ÂÙ È ÙÂÏÈÎ ÌÈ Ô ÙÂÚË ÎÂÙ ÏË 1984 JN MMUY 2 AÎÂÙ ÏË 3

32 906 PΓANIK XMEIA 3 Î Ù Ï ÙË Î Ù Ï ÙË 3 3 KÂÙfiÓË ÌÈ ÎÂÙ ÏË AÎÂÙ ÏË Επειδή όλα τα στάδια του σχηματισμού ακεταλών είναι αντιστρεπτά, η αντίδραση μπορεί να κατευθυνθεί ανάλογα με τις συνθήκες είτε προς τα δεξιά (από την καρβονυλική ένωση προς την ακετάλη) είτε προς τα αριστερά (από την ακετάλη προς την καρβονυλική ένωση). Η αντίδραση προς τα δεξιά ευνοείται από συνθήκες που απομακρύνουν το νερό. Στην πράξη, αυτό επιτυγχάνεται συχνά με απόσταξη του νερού, καθώς αυτό σχηματίζεται. Η αντίστροφη αντίδραση ευνοείται εάν η ακετάλη υποστεί κατεργασία με μεγάλη περίσσεια αραιών υδατικών διαλυμάτων οξέων που κατευθύνουν την ισορροπία προς τα αριστερά. Οι ακετάλες είναι χρήσιμες επειδή συνιστούν προστατευτικές ομάδες για τις αλδεΰδες ή τις κετόνες, με τον ίδιο τρόπο που οι τριμεθυλοσιλυλο αιθέρες χρησιμοποιούνται ως προστατευτικές ομάδες των αλκοολών (Tμήμα 17.10). Όπως αναφέραμε προηγουμένως, συμβαίνει μερικές φορές μια λειτουργική ομάδα να παρεμβαίνει σε κάποια αντίδραση που θέλουμε να πραγματοποιήσουμε, σε άλλο μέρος ενός περίπλοκου μορίου. Για παράδειγμα, αν επιθυμούσαμε την αναγωγή μόνο της εστερικής ομάδας του 4-οξοπεντανοϊκού αιθυλίου, η παρουσία της κετο ομάδας θα αποτελούσε πρόβλημα. Η κατεργασία της αρχικής ένωσης με LiAl 4 θα οδηγούσε σε αναγωγή τόσο της κετονικής όσο και της εστερικής ομάδας προς μια διόλη. S S S ; ÍÔappleÂÓÙ ÓÔ Îfi Èı ÏÈÔ 5-À ÚÔÍ -2-appleÂÓÙ ÓfiÓË Προστατεύοντας την κετο ομάδα υπό τη μορφή ακετάλης, όμως, μπορούμε να παρακάμψουμε το πρόβλημα αυτό. Όπως και άλλοι αιθέρες, οι ακετάλες είναι αδρανείς ως προς τις βάσεις, τα αναγωγικά αντιδραστήρια υδριδίου, τα αντιδραστήρια Grignard και τις συνθήκες της καταλυτικής αναγωγής. Έτσι, μπορούμε να πραγματοποιήσουμε την εκλεκτική αναγωγή της εστερικής ομάδας στο 4-οξοπεντανοϊκό αιθύλιο, μετατρέποντας πρώτα την κετονική ομάδα σε ακετάλη, ανάγοντας στη συνέχεια τον εστέρα με LiAl 4 και υδρολύοντας τέλος την ακετάλη μέσω κατεργασίας με ένα αραιό υδατικό διάλυμα οξέος:

33 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ ÍÔappleÂÓÙ ÓÔ Îfi Ethyl 4-oxopentanoate Èı ÏÈÔ 2 2 K Ù Ï ÙË Â ÌappleÔÚÂ Ó ÂappleÈÙÂ ıâ appleâ ıâ 1. LiAl Στην πράξη, μας διευκολύνει να χρησιμοποιήσουμε αιθυλενογλυκόλη ως αλκοόλη και να σχηματίσουμε μια κυκλική ακετάλη. Ο μηχανισμός σχηματισμού μιας κυκλικής ακετάλης χρησιμοποιώντας ένα ισοδύναμο αιθυλενογλυκόλης είναι ο ίδιος ακριβώς, όπως αν χρησιμοποιούσαμε δύο ισοδύναμα μεθανόλης ή κάποιας άλλης μονοαλκοόλης. Mοναδική διαφορά είναι ότι και οι δυο αλκοολικές ομάδες βρίσκονται τώρα στο ίδιο μόριο. ( 3 ) ( 3 ) 3 ŸÍÈÓÔ Î Ù Ï ÙË 2 4-tert-Butylcyclohexanone 4-tert-μÔ Ù ÏÔÎ ÎÏÔÂÍ ÓfiÓË 4-tert-Butylcyclohexanone Èı ÏÂÓÔ ÎÂÙ ÏË ÙË 4-tert- Ô Ù ÏÔÎ ÎÏÔÂÍ ÓfiÓË ethylene acetal (88%) (88%) ΠPBΛMA Yποδείξτε όλα τα στάδια σχηματισμού μιας κυκλικής ακετάλης με όξινη κατάλυση από την αιθυλενογλυκόλη και μια αλδεΰδη ή κετόνη....

34 908 PΓANIK XMEIA Πυρηνόφιλη προσθήκη υλιδίων του φωσφόρου: αντίδραση Wittig ι αλδεΰδες και οι κετόνες μετατρέπονται σε αλκένια με την αντίδραση Wittig. 6 Σ αυτή τη διεργασία, ένα υλίδιο του φωσφόρου, 2 P + ( 6 5 ) 3 (ονομάζεται επίσης φωσφοράνιο), προστίθεται σε αλδεΰδες ή κετόνες και σχηματίζει ένα διπολικό ενδιάμεσο που ονομάζεται βεταΐνη. 7 Η ενδιάμεση βεταΐνη δεν απομονώνεται, αλλά αποσυντίθεται αμέσως προς ένα αλκένιο και τριφαινυλοφωσφινοξείδιο. Τελικό αποτέλεσμα είναι η αντικατάσταση του καρβονυλικού οξυγόνου από την οργανική ομάδα που ήταν αρχικά ενωμένη με τον φωσφόρο (Σχήμα 19.13). Ketone/aldehyde Ï Â Ë/ ÂÙfiÓË 2 P( 6 5 ) 3 An ÀÏ ÈÔ ylide TF P( 6 5 ) 3 μâù ÓË ÏÎ ÓÈÔ Alkene ( 6 5 ) 3 P TÚÈÊ ÈÓ ÏÔʈÛÊÈÓ- Triphenylphosphine ÔÍ ÈÔ oxide P( 6 5 ) 3 Ì MË ÓÈÛÌfi ÙË ÓÙ Ú ÛË Wittig ÌÂÙ Í ÏÈ ˆÓ ÙÔ ÊˆÛÊfiÚÔ Î È Ï Â ÒÓ ÎÂÙÔÓÒÓ appleúô Û ËÌ ÙÈÛÌfi ÏÎÂÓ ˆÓ. Τα απαραίτητα για την αντίδραση Wittig υλίδια του φωσφόρου παρασκευάζονται εύκολα με αντίδραση S N 2 πρωτοταγών (και ορισμένων δευτεροταγών) αλκυλαλογονιδίων με τριφαινυλοφωσφίνη, ακολουθούμενη από κατεργασία με βάση. Γενικά, οι τριοργανοφωσφίνες του τύπου 3 P αποτελούν καλά πυρηνόφιλα σε αντιδράσεις S N 2 και σχηματίζουν σε υψηλές αποδόσεις 6 Georg Wittig ( ). Γεννήθηκε στο Βερολίνο. Διδακτορικό από το Marburg (von Auwers). Καθηγητής στα Πανεπιστήμια Freiburg, Tübingen και Χαϊδελβέργης. Βραβείο Νομπέλ (1979). 7 Τα υλίδια είναι ουδέτερες διπολικές ενώσεις με γειτονικά θετικά και αρνητικά φορτία. Οι βεταΐνες είναι ουδέτερες διπολικές ενώσεις με φορτία σε μη γειτονικές θέσεις.

35 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 909 κρυσταλλικά τετραοργανοφωσφωνιακά άλατα. Το υδρογόνο στον άνθρακα που βρίσκεται δίπλα στον θετικά φορτισμένο φωσφόρο είναι ασθενώς όξινο και μπορεί να αποσπαστεί κατά την επίδραση ισχυρών βάσεων, όπως π.χ. υδρίδιο του νατρίου ή βουτυλολίθιο (BuLi), σχηματίζοντας ένα ουδέτερο υλίδιο. Για παράδειγμα: S N 2 BuLi P 3 Br P 3 TF μúˆìô- Bromomethane ÌÂı ÓÈÔ Br P 2 ΔÚÈÊ ÈÓ ÏÔʈÛÊ ÓË Triphenylphosphine ªÂı ÏÔÙÚÈÊ ÈÓ ÏÔ- Methyltriphenylphosphonium ʈÛʈÓÈ Îfi ÚˆÌ ÈÔ bromide ªÂı ÏÂÓÔÙÚÈÊ ÈÓ ÏÔ- Methylenetriphenylphosphorane ʈÛÊÔÚ ÓÈÔ αντίδραση Wittig έχει ευρύτατη εφαρμογή, έτσι ώστε να παρασκευάζονται πάρα πολλά μονο-, δι- και τριυποκατεστημένα αλκένια με τον κατάλληλο συνδυασμό φωσφορανίου και αλδεΰδης ή κετόνης. Ωστόσο, τετραϋποκατεστημένα αλκένια δε μπορούν να παρασκευασθούν, λόγω στερεοχημικής παρεμπόδισης κατά την αντίδραση. Η πραγματική αξία της αντίδρασης Wittig έγκειται στο ότι με αυτή παρασκευάζονται καθαρά αλκένια γνωστής δομής. Ο διπλός δεσμός του αλκενίου βρίσκεται πάντοτε ακριβώς εκεί που ήταν το καρβονύλιο της πρόδρομης ένωσης, ενώ δε σχηματίζονται μίγματα προϊόντων (εκτός από τα Ε,Ζ ισομερή). Για παράδειγμα, κατά την αντίδραση Wittig της κυκλοεξανόνης με το μεθυλενοτριφαινυλοφωσφοράνιο σχηματίζεται μόνο ένα αλκένιο, το μεθυλενοκυκλοεξάνιο. Αντίθετα, η προσθήκη μεθυλομαγνησιο βρωμιδίου στην κυκλοεξανόνη, ακολουθούμενη από αφυδάτωση με Pl 3, καταλήγει σε μίγμα δύο αλκενίων: MgBr 2. Pl 3 1-ªÂı ÏÔÎ ÎÏÔÂÍ ÓÈÔ 1-Methylcyclohexene Methylenecyclohexane ªÂı ÏÂÓÔÎ ÎÏÔÂÍ ÓÈÔ 2 ÎÏÔÂÍ ÓfiÓË yclohexanone ( 6 5 ) 3 P 2, È Ï ÙË TF ( 6 5 ) 3 P ªÂı ÏÂÓÔÎ ÎÏÔÂÍ ÓÈÔ Methylenecyclohexane (84%)

36 910 PΓANIK XMEIA ι αντιδράσεις Wittig χρησιμοποιούνται βιομηχανικά σε διάφορες φαρμακευτικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, η ελβετική χημική εταιρία offmann-laoche παρασκευάζει β-καροτένιο, μια κίτρινη χρωστική των τροφίμων και διαιτητική πηγή βιταμίνης Α, χρησιμοποιώντας την αντίδραση Wittig μεταξύ της ρετινάλης και του ρετινυλιδενοτριφαινυλοφωσφορανίου. P(Ph) 3 etinal ƒâùèó ÏË etinylidenetriphenylphosphorane ƒâùèó ÏÈ ÂÓÔÙÚÈÊ ÈÓ ÏÔʈÛÊÔÚ ÓÈÔ AÓÙ Ú ÛË Wittig - ÚÔÙ ÓÈÔ -arotene ΠPBΛMA Ποιες καρβονυλικές ενώσεις και ποια υλίδια του φωσφόρου θα χρησιμοποιούσατε για την παρασκευή των ακόλουθων ενώσεων; 2 (α) 3 (β) (γ) 2-Μεθυλο-2-εξένιο (δ) 6 5 ( 3 ) 2 (ε) 1,2-Διφαινυλοαιθυλένιο ΠPBΛMA Mια εναλλακτική μέθοδος παρασκευής του β-καροτενίου περιλαμβάνει τη διπλή αντίδραση Wittig ανάμεσα σε 2 ισοδύναμα β-ιονυλιδενοακεταλδεΰδης και ένα διπλό υλίδιο. Γράψτε την αντίδραση, υποδεικνύοντας τη δομή του υλιδίου. -πôó ÏÈ ÂÓÔ ÎÂÙ Ï Â Ë -Ionylideneacetaldehyde...

37 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ Aντίδραση annizzaro Κατά την επισκόπηση της χημείας του καρβονυλίου, πριν από αυτό το κεφάλαιο, είδαμε ότι οι αντιδράσεις πυρηνόφιλης προσθήκης είναι χαρακτηριστικές για τις αλδεΰδες και τις κετόνες, όχι όμως και για τα παράγωγα των καρβοξυλικών οξέων. Tο αίτιο αυτής της διαφοράς είναι δομικό. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 19.14, τα τετραεδρικά ενδιάμεσα που προκύπτουν από την προσθήκη πυρηνόφιλων σε παράγωγα των καρβοξυλικών οξέων μπορούν να αποβάλουν την ομάδα Y, οδηγώντας σε μια καθαρή αντίδραση πυρηνόφιλης ακυλο υποκατάστασης. Τα τετραεδρικά ενδιάμεσα που προκύπτουν από την προσθήκη πυρηνόφιλων σε αλδεΰδες ή κετόνες, όμως, διαθέτουν μόνον αλκύλια ή υδρογόνο ως υποκαταστάτες και κατά συνέπεια δεν μπορούν συνήθως να αποβάλουν αυτούς τους υποκαταστάτες ως αποχωρούσες ομάδες. Η αντίδραση annizzaro, 8 που ανακαλύφθηκε το 1853, αποτελεί μια εξαίρεση αυτού του κανόνα. Nu Y Y Nu Nu Y Ì MË ÓÈÛÌfi ÙˆÓ ÓÙÈ Ú ÛÂˆÓ apple ÚËÓfiÊÈÏË Î ÏÔ appleôî Ù ÛÙ ÛË. T apple Ú ÁˆÁ ÙˆÓ Î Ú ÔÍ ÏÈÎÒÓ ÔÍ ˆÓ È ı ÙÔ Ó Ó Ó ËÏÂÎÙÚ ÚÓËÙÈÎfi appleôî Ù ÛÙ ÙË Y ( Br, l,, N 2 ) appleô Ú ˆ appleô ˆÚÔ Û ÔÌ. È Ï Â Â Î È ÔÈ ÎÂÙfiÓÂ Â È ı ÙÔ Ó Ù ÙÔÈ ÔÌ. Όταν μια αλδεΰδη, όπως η βενζαλδεΰδη, η οποία δε φέρει υδρογόνα στο άτομο του άνθρακα δίπλα στην ομάδα, θερμανθεί παρουσία ιόντων υδροξειδίου, πραγματοποιείται αντίδραση και σχηματίζεται 1 ισοδύναμο καρβοξυλικού οξέος και 1 ισοδύναμο αλκοόλης: 8 Stanislao annizzaro ( ). Γεννήθηκε στο Παλέρμο της Iταλίας. Σπούδασε στην Πίζα (με τον Piria). Καθηγητής στα Πανεπιστήμια Γένοβας, Παλέρμου και Ρώμης.

38 912 PΓANIK XMEIA 2 1., Benzaldehyde μâó Ï Â Ë μâó Ô Îfi Benzoic ÔÍ acid μâó ÏÈÎ Benzyl alcohol ÏÎÔfiÏË Η αντίδραση annizzaro αρχίζει με πυρηνόφιλη προσθήκη του ΟΗ στην αλδεΰδη, οπότε σχηματίζεται ένα τετραεδρικό ενδιάμεσο, το οποίο αποβάλλει το ιόν του υδριδίου ως αποχωρούσα ομάδα. Ένα δεύτερο μόριο αλδεΰδης προσβάλλεται από το ιόν υδριδίου σε ένα άλλο στάδιο πυρηνόφιλης προσθήκης, με αποτέλεσμα να έχουμε αυτοοξειδοαναγωγή. Ένα μόριο αλδεΰδης υφίσταται, λοιπόν, υποκατάσταση ενός Η από το ΟΗ και συνεπώς οξειδώνεται προς οξύ, ενώ σε ένα δεύτερο μόριο αλδεΰδης γίνεται προσθήκη Η, οπότε ανάγεται προς αλκοόλη (Í ˆÛË) TÂÙÚ Â ÚÈÎfi ÂÓ È ÌÂÛÔ (AÓ ÁˆÁ ) Η αντίδραση annizzaro βρίσκει λίγες εφαρμογές και στην πράξη περιορίζεται στη φορμαλδεΰδη και σε υποκατεστημένες βενζαλδεΰδες. Ωστόσο, παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον από μηχανιστική άποψη, επειδή χρησιμεύει ως απλοποιημένο υπόδειγμα μιας σημαντικής βιολογικής οδού μέσω της οποίας γίνονται αναγωγές στους ζωντανούς οργανισμούς. Στη φύση, το σπουδαιότερο αναγωγικό μέσο είναι ένα περίπλοκο μόριο, που ονομάζεται ανηγμένο νικοτιναμιδο αδενινο δινουκλεοτίδιο (συντομογραφικά ΝAD, reduced nicotinamide adenine dinucleotide).

39 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 913 N 2 N 2 N 2 P P 2 N N ÓËÁÌ ÓÔ educed nicotinamide ÓÈÎÔÙÈÓ ÌÈ Ô ÂÓÈÓÔ adenine ÈÓÔ ÎÏÂÔÙ ÈÔ dinucleotide (NAD) N N Το NAD λειτουργεί ως δότης υδριδίου με τον ίδιο περίπου τρόπο όπως το τετραεδρικό ενδιάμεσο σε μια αντίδραση annizzaro. Το μονήρες ζεύγος ηλεκτρονίων ενός ατόμου αζώτου συντελεί στην αποβολή Η:, το οποίο προστίθεται στο καρβονύλιο ενός άλλου μορίου, πραγματοποιώντας την αναγωγή. Θα επιστρέψουμε σ αυτή την αντίδραση στο Κεφάλαιο 30, όταν θα εξετάσουμε λεπτομερώς μερικές μεταβολικές διεργασίες. 2 N " N ' 2 N KÂÙfiÓË NAD NAD NAD NAD + " N ' AÏÎÔfiÏË ΠPBΛMA Όταν η ο-φθαλαλδεΰδη υποστεί κατεργασία με βάση, σχηματίζεται ο-(υδροξυμεθυλο)βενζοϊκό οξύ. Yποδείξτε το μηχανισμό αυτής της αντίδρασης o-phthalaldehyde Ô-ºı Ï Ï Â Ë o-(ydroxymethyl)benzoic Ô-(À ÚÔÍ ÌÂı ÏÔ) ÂÓ Ô Îfi acidôí...

40 914 PΓANIK XMEIA Συζυγής πυρηνόφιλη προσθήκη σε α,β-ακόρεστες καρβονυλικές ομάδες Όλες οι αντιδράσεις που μελετήσαμε ως τώρα περιλαμβάνουν την άμεση προσθήκη ενός πυρηνόφιλου στο καρβονύλιο. Με αυτή την άμεση προσθήκη συνδέεται στενά η συζυγής προσθήκη ενός πυρηνόφιλου στο διπλό δεσμό = μιας α,β-ακόρεστης αλδεΰδης ή κετόνης (Σχήμα 19.15). Οι δύο διεργασίες αποκαλούνται συχνά 1,2 προσθήκη και 1,4 προσθήκη, αντίστοιχα. ÕÌÂÛË appleúôûı ÎË 2 1 Nu Nu 3 Nu ÚÔ fió ÌÂÛË appleúôûı ÎË Á appleúôûı ÎË Nu Nu Nu 3 Nu, -AÎfiÚÂÛÙÔ Î Ú ÔÓ ÏÈÔ EÓ È ÌÂÛÔ ÂÓÔÏÈÎfi ÈfiÓ ÚÔ fió Û ÁÔ appleúôûı ÎË Ì ÁÎÚÈÛË ÌÂÙ Í ÙË ÌÂÛË [1,2] Î È ÙË Û ÁÔ [1,4] ÓÙ Ú ÛË apple ÚËÓfiÊÈÏË appleúôûı ÎË. Η συζυγής προσθήκη ενός πυρηνόφιλου στις α,β-ακόρεστες καρβονυλικές ενώσεις οφείλεται στους ίδιους ηλεκτρονικούς παράγοντες που είναι υπεύθυνοι και για την άμεση προσθήκη. Έχουμε δει ότι οι καρβονυλικές ομάδες είναι πολωμένες, με τον καρβονυλικό άνθρακα να είναι ηλεκτροθετικός, σε σημείο ώστε να μπορούμε ακόμη και να σχεδιάσουμε μια διπολική δομή συντονισμού για να υπογραμμίσουμε αυτήν την πόλωση: K Ú ÔÓ ÏÈÔ + +

41 AΛΔEΫΔEΣ KAI KETNEΣ: ANTIΔPAΣEIΣ ΠYPNΦIΛΣ ΠPΣΘKΣ 915 Ωστόσο, αν σχεδιάσουμε μια παρόμοια δομή συντονισμού κάποιας α,βακόρεστης καρβονυλικής ένωσης, το θετικό φορτίο εντοπίζεται τόσο στην αλλυλική θέση όσο και στον β άνθρακα. Με άλλα λόγια, ο β άνθρακας στις α,β-ακόρεστες καρβονυλικές ενώσεις αποτελεί ηλεκτρονιόφιλο κέντρο και μπορεί να αντιδράσει με πυρηνόφιλα., -AÎfiÚÂÛÙÔ Î Ú ÔÓ ÏÈÔ ÏÂÎÙÚÔÓÈfiÊÈÏ Î ÓÙÚ Η συζυγής προσθήκη πυρηνόφιλων στον β άνθρακα των α,β-ακόρεστων καρβονυλικών ενώσεων οδηγεί στο σχηματισμό ενός ενολικού ιόντος ως ενδιαμέσου, το οποίο πρωτονιώνεται στον α άνθρακα, σχηματίζοντας το κορεσμένο προϊόν (Σχήμα 19.15). Τελικό αποτέλεσμα είναι η προσθήκη του πυρηνόφιλου στο διπλό δεσμό =, ενώ το ίδιο το καρβονύλιο παραμένει αναλλοίωτο. Στην πραγματικότητα, βέβαια, το καρβονύλιο είναι απαραίτητο για την πραγματοποίηση της αντίδρασης. Ο διπλός δεσμός = δε θα πολωνόταν και δε θα αντιδρούσε χωρίς τη συζυγή καρβονυλική ομάδα. ÓÂÚÁÔappleÔÈËÌ ÓÔ ÈappleÏfi ÂÛÌfi 1. Nu Nu ªË ÂÓÂÚÁÔappleÔÈËÌ ÓÔ ÈappleÏfi ÂÛÌfi Nu appleú ÁÌ ÙÔappleÔÈÂ Ù È ÓÙ Ú ÛË Συζυγής προσθήκη αμινών ι πρωτοταγείς και οι δευτεροταγείς αμίνες προστίθενται στις α,β-ακόρεστες καρβονυλικές ενώσεις και σχηματίζουν β-αμινο κετόνες ή β-αμινο αλδεΰδες. Η αντίδραση πραγματοποιείται ταχέως σε ήπιες συνθήκες και οι αποδόσεις είναι καλές. Σημειώστε ότι αν χρησιμοποιηθεί μόνο 1 ισοδύναμο αμίνης, σχηματίζεται το προϊόν της συζυγούς προσθήκης, με πλήρη αποκλεισμό του προϊόντος της άμεσης προσθήκης.